KR102240723B1 - Controller comprising position predict unit and a control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 위치 예측부를 포함하는 제어기 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시간 지연이 있는 제어 시스템을 보다 안정적으로 제어할 수 있는 제어기 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a controller including a position prediction unit and a control method thereof, and more particularly, to a controller capable of stably controlling a control system having a time delay, and a control method thereof.
[국가지원 연구개발에 대한 설명][Explanation of nationally supported R&D]
본 연구는 중소벤처기업부 월드클래스300 (WC300) 사업(스마트머신/협업로봇 유연 대응을 위한 로봇모션 제어 솔루션 개발, 과제 고유번호: S2563339)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This study was made with the support of the Ministry of SMEs World Class 300 (WC300) project (developing a robot motion control solution for flexible response to smart machines/collaborative robots, task identification number: S2563339).
서보 모터 제어 시스템은 입력되는 명령과 플랜트의 엔코더 피드백 출력을 이용하여 제어 전류 입력을 생성하고 엔코더 피드백 값이 원하는 입력 명령을 추종하게 하는 피드백 제어 시스템이다. 비례-적분-미분 제어 방법 (Proportional-Integral-Derivative control)이라 불리우는 PID 제어 방법이 피드백 제어 시스템의 대표적인 예이다. 하지만, 선형 제어 방법인 PID 제어기는 모델의 비선형성이나 외란의 영향을 많이 받기 때문에, 부하의 종류나 구동 환경에 맞는 별도의 튜닝 과정이 필요하다는 단점이 있다.The servo motor control system is a feedback control system that generates a control current input using an input command and an encoder feedback output of a plant, and makes the encoder feedback value follow a desired input command. A PID control method called Proportional-Integral-Derivative control is a representative example of a feedback control system. However, since the PID controller, which is a linear control method, is highly affected by model nonlinearity or disturbance, it has a disadvantage in that it requires a separate tuning process suitable for the type of load or driving environment.
이러한 단점을 극복하기 위해 비선형 제어의 일종인 가변 구조 제어 방법이 제안된 바 있다. 가변 구조 제어 방법은 일정 크기의 매개변수의 변화나 외란에 대해서도 견실성을 갖는 강인 제어 방법이다. 가변 구조 제어 방법은 PID 제어 방법보다 성능이 월등히 좋으며, 특히 가변 구조 제어 방법과 외란 보상 기법이 함께 적용될 경우, 외란에 대한 시스템의 안정성이 더 크게 확보되며, 가변 구조 제어 방법의 단점인 채터링 문제를 감소시킬 수 있다. 상기 제어기법들의 견실성을 이용하여 비선형 플랜트에도 쉽게 적용이 가능하고, 사용자의 입력이 필요 없는 무 튜닝 비선형 제어기의 구현이 가능하다.In order to overcome this drawback, a variable structure control method, which is a kind of nonlinear control, has been proposed. The variable structure control method is a robust control method that is robust against changes in parameters or disturbances of a certain size. The variable structure control method has much better performance than the PID control method. In particular, when the variable structure control method and the disturbance compensation method are applied together, the stability of the system against disturbances is secured, and the chattering problem, which is a disadvantage of the variable structure control method. Can be reduced. By using the robustness of the above control methods, it can be easily applied to a nonlinear plant, and it is possible to implement a non-tuning nonlinear controller that does not require user input.
그러나, 일반적인 디지털 서보 제어 시스템은 엔코더의 통신, 제어 입력을 생성하는 데에 필요한 연산 등에 시간이 소요되어 필연적으로 시간 지연이 발생한다. 이러한 시간 지연은 전체 시스템의 성능과 안정성이 저하되는 요인이 될 수 있기 때문에, 이를 보상하는 기술이 매우 중요하다. 가변 구조 제어 방법과 외란 보상기를 이용한 서보 시스템의 경우 시간 지연을 일반화된 외란으로 간주하여 시간 지연으로 인한 영향을 보상할 수 있지만, 그 효과가 제한되어 있기 때문에 시스템의 안정도를 높이기 위해 시간 지연을 더 효과적으로 보상하는 방법이 필요하다.However, a general digital servo control system takes time for communication of an encoder and an operation required to generate a control input, and inevitably a time delay occurs. Since this time delay can be a factor that deteriorates the performance and stability of the entire system, a technique to compensate for this is very important. In the case of the servo system using the variable structure control method and the disturbance compensator, the time delay can be regarded as a generalized disturbance and the effect of the time delay can be compensated. We need a way to effectively compensate.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가변 구조 제어 방법을 이용하는 제어 시스템에서 시간 지연으로 인한 성능 저하와 안정성이 유지되지 못하는 문제점을 해결할 수 있는 제어기 및 제어기의 제어 방법을 제공한다.The present invention has been conceived to solve the above-described problems, and provides a controller and a control method of the controller capable of solving the problems of performance degradation and inability to maintain stability due to a time delay in a control system using a variable structure control method.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기는 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 상태 변수 계산부; 상기 상태 변수 계산부의 출력과 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 위치 예측부; 및 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 가변 구조 제어부를 포함한다.A controller according to an embodiment of the present invention includes a state variable calculation unit that calculates a state variable based on the position feedback of the load unit; A position prediction unit for generating a state variable for which a time delay is compensated based on an output of the state variable calculation unit and a control input of a previous sampling step; And a variable structure control unit for performing variable structure control to follow the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.
본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 상태 변수 계산부가, 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 단계; 상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 단계; 및 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 단계를 포함한다.A method for controlling a controller according to another embodiment of the present invention includes the steps of, by a state variable calculation unit, calculating a state variable based on position feedback of the load unit; Generating a state variable compensated for the time delay based on the state variable and a control input of the previous sampling step; And performing variable structure control of following the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 하드웨어와 결합되어 상기 제어기의 제어 방법을 실행하도록 매체에 저장된다.A computer program according to another embodiment of the present invention is stored in a medium to execute a method of controlling the controller by being combined with hardware.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기 및 이의 제어 방법은 시간 지연이 발생하는 상황에서 위치 예측 값을 활용해 시간 지연을 보상함으로써, 제어 성능의 저하를 방지하고, 안정성을 확보할 수 있다.The controller and its control method according to an embodiment of the present invention compensate for the time delay using a position prediction value in a situation in which a time delay occurs, thereby preventing deterioration of control performance and securing stability.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기가 포함되는 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 레퍼런스를 도시한 그래프이다.
도 4는 종래의 가변 구조 및 외란 보상을 구비한 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법의 순서도이다.
도 7은 레퍼런스를 추종하는 제어를 수행하는 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다.1 is a block diagram of a control system including a controller according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are graphs illustrating exemplary references.
4 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a conventional controller having a variable structure and disturbance compensation.
5 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a controller according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a control method of a controller according to another embodiment of the present invention.
7 is a flow chart showing detailed steps of performing control following a reference.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 결정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The detailed description of the present invention described below refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. The terms used in the present specification have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions, but this may vary according to the intention or custom of a technician working in the field, or the emergence of new technologies. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily determined by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the description section of the corresponding specification. Therefore, terms used in the present specification should be interpreted based on the actual meaning of the term and the entire contents of the present specification, not a simple name of the term.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기가 포함되는 제어 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 제어 시스템(10)은 제어기(110), 부하부(120)를 포함한다. 1 is a block diagram of a control system including a controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the
제어기(110)는 부하부(120)에 포함된 제어 대상(122)을 위한 제어 입력()를 발생한다. 제어기(110)에서 발생한 제어 입력()은 부하부(120)에 전달된다. 부하부(120)는 전류 제어기(121), 제어 대상(122) 및 엔코더(123)를 포함한다. 먼저, 제어기(110)로부터 전류 제어기(121)로 제어 입력()이 전달되면, 전류 제어기(121)는 제어 입력()에 상응하는 구동 전류를 제어 대상(122, 또는 부하)에 제공한다. 그리고, 엔코더(123)는 예를 들어, 구동된 제어 대상(122)의 상태를 측정하여 피드백 정보()를 제어기(110)에 피드백으로서 제공한다. 제어기(110)는 이후의 서보 모터 제어시 수신된 피드백()을 참조한다. 여기서, 피드백 정보는 각변위를 기초로 생성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제어 대상의 각변위(angular position) 및/또는 각속도(angular velocity)를 기초로 생성된 정보일 수도 있다. 전류 제어기(121), 모터(122) 및 엔코더(123)의 구체적인 구성 및 동작 방법은 당해 기술 분야에 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그에 대한 설명은 생략한다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제어기(110)는 가변 구조 제어 기능과 외란 보상 기능을 함께 제공할 수 있는 가변 구조 제어부(111) 및 상태 변수 계산부(112)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 가변 구조 제어부(111)는 절환 함수 계산부(111A), 외란 추정부(111B), 제어 입력 계산부(111C)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 제어기(110)는 부하부(120)에서 제공되는 피드백 값의 시간 지연을 보상하기 위한 위치 예측부(113)를 더 포함할 수 있다.2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the
여기서, 실시예들에 따른 제어기(110) 및 이를 구성하는 각각의 장치 또는 부(unit)는, 전적으로 하드웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 본 발명의 제어기(110)의 각각의 구성요소는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭한다. 하드웨어는 CPU(Central Processing Unit) 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 절환 함수 계산부(111)는, 하드웨어 및 이를 위한 소프트웨어의 조합을 지칭할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 제어기(110)를 구성하는 각 부는 반드시 물리적으로 구분되는 별개의 구성요소를 지칭하는 것으로 의도되지 않는다. 즉, 도 2에서 제어기(110)의 각 부는 서로 구분되는 별개의 블록으로 도시되었으나, 이는 제어기(110)를 이에 의해 실행되는 동작에 의해 기능적으로 구분한 것이다. 실시예에 따라서는 전술한 각 부 중 일부 또는 전부가 동일한 하나의 장치 내에 집적화될 수 있으며, 또는 하나 이상의 부가 다른 부와 물리적으로 구분되는 별개의 장치로 구현될 수도 있다. 예컨대, 각각의 부는 분산 컴퓨팅 환경 하에서 서로 통신 가능하게 연결된 컴포넌트들일 수도 있다.Here, the
먼저, 위치 예측부(113)를 적용하지 않은 상태에서 가변 구조 제어부(111) 및 상태 변수 계산부(112)의 기능 및 특징에 대해 설명한 후, 위치 예측부(113)를 적용함에 따라 나타나는 본 발명의 기술적 특징을 더 서술하도록 한다.First, the functions and characteristics of the variable structure control unit 111 and the state
제어기(110)는 하기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력 받은 레퍼런스()를 추종하도록 제어 입력()을 생성하도록 구성될 수 있다.In the system environment of the discrete time state-space equation according to Equation 1 below, the
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, 는 상태 변수로, 는 위치 피드백, 는 속도 피드백 값이며, 는 제어기로부터 제공되는 제어 입력, 는 일반화된 외란, 는 시스템 매트릭스로 로 정의되며, 는 입력 매트릭스로 로 정의되고 는 시스템 관성이고, 는 모터의 토크 상수이며, 는 제어기의 제어 주기에 해당한다.)(here, Is the state variable, Position feedback, Is the speed feedback value, Is the control input provided from the controller, Is a generalized disturbance, Is the system matrix Is defined as, Is the input matrix Is defined as Is the system inertia, Is the torque constant of the motor, Corresponds to the control cycle of the controller.)
상태 변수()는 부하부(120)의 피드백 정보()를 기초로 상태 변수 계산부(112)에서 계산될 수 있다. 절환 함수 계산부(111A)는 현재 상태의 절환 함수 출력()을 정의할 수 있다. 절환 함수 계산부(111A)는 입력되는 레퍼런스()와 피드백 된 부하부의 상태 변수()으로 구성된 절환 함수 출력()을 계산할 수 있다. 절환 함수 출력()은 하기 수학식 2와 같이 정의된다.State variable ( ) Is the feedback information of the load unit 120 ( ) Can be calculated in the state
[수학식 2][Equation 2]
(여기서, 는 오차 함수로, 로 정의되고, 는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here, Is the error function, Is defined as, Is the gain matrix related to the switching function.)
즉, 절환 함수 출력()은 입력되는 레퍼런스()와 상기 상태 변수()를 기초로 정의된다.In other words, the switching function output ( ) Is the input reference ( ) And the above state variable ( ) Is defined on the basis of.
외란 추정부(111B)는 외란 추정 이득()과 절환 함수 출력()에 기초하여 외란 추정값()을 계산할 수 있다. 외란 추정 값()은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.The
[수학식 3][Equation 3]
(여기서, 는 오차 함수()가 슬라이딩 매니폴드로 도달하는 속도를 결정하는 파라미터, 는 포화 함수의 이득이며, 는 포화 함수의 경계층의 두께(boundary layer thickness)를 결정하는 파라미터, 는 외란 추정 이득이다.)(here, Is the error function ( A parameter that determines the speed at which) reaches into the sliding manifold, Is the gain of the saturation function, Is a parameter that determines the boundary layer thickness of the saturation function, Is the estimated gain of disturbance.)
수학식 1의 상태 공간 방정식에서, 절환 함수 출력()을 0으로 만들기 위한, 외란 추정부(111B)가 추정한 외란 추정 값()과 제어 입력 계산부(111C)의 제어 입력()이 정의될 수 있다. 제어 입력 계산부는 절환 함수 출력(), 상기 외란 추정 값() 및 상기 상태 변수()에 기초하여 현재 상태의 제어 입력()을 계산한다. 현재 상태의 제어 입력()은 하기 수학식 4와 같이 정의된다.In the state space equation of Equation 1, the switching function output ( ) To be 0, the disturbance estimation value estimated by the
[수학식 4][Equation 4]
(여기서, 제어 입력()에서 는 상기 외란 추정 값()을 제외한 값이다.)(Here, control input( )in Is the estimated disturbance value ( It is the value excluding ).)
즉, 현재 상태의 제어 입력()은 상기 절환 함수 출력(), 상기 외란 추정 값(), 외부로부터 입력되는 레퍼런스() 및 상기 상태 변수 생성부로부터 출력된 상태 변수()를 기초로 정의된다. 따라서, 부하부(120)의 엔코더(123)의 통신, 제어 입력을 생성하는 데에 필요한 연산 등에 시간이 소요되어 필연적으로 시간 지연이 발생하는 경우 전체 시스템의 성능 및 안정성의 저하가 야기될 수 있다. In other words, the control input of the current state ( ) Is the switching function output ( ), the estimated disturbance value ( ), reference input from the outside ( ) And the state variable output from the state variable generator ( ) Is defined on the basis of. Therefore, if time is required for communication of the
여기서 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(100)는 부하부(120)에서 제공되는 피드백 정보()의 시간 지연을 보상하기 위한 위치 예측부(113)를 더 포함할 수 있으며, 시간 지연의 보상을 통해 전체 시스템의 성능 저하와 안정성 저하를 방지할 수 있다. 이하, 위치 예측부(113)를 적용한 본 실시예의 제어기(100)에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.Here, the
본 발명의 이산 시간 상태 공간 방정식은 상기 수학식 1 및 4를 활용하여 수학식 5과 같이 나타낼 수 있다.The discrete time state-space equation of the present invention can be expressed as
[수학식 5][Equation 5]
(여기서, 는 실제 외란()과 외란 추정값()의 차이를 나타낸다.)(here, Is the actual disturbance ( ) And the disturbance estimate ( ) Represents the difference.)
상기 수학식에서 외란()의 변화율이 충분히 느림을 가정할 경우, 실제 외란()과 외란 추정값()의 차이를 0으로 볼 수 있다(). Disturbance in the above equation ( Assuming that the rate of change of) is slow enough, the actual disturbance ( ) And the disturbance estimate ( The difference between) can be seen as 0 ( ).
따라서 외란이 충분히 보상된 이산 시간 상태 공간 방정식은 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the discrete time state-space equation in which the disturbance is sufficiently compensated can be expressed as Equation 6 below.
[수학식 6][Equation 6]
상태 변수 계산부(112)는 부하부(120)의 위치 피드백 정보()와 오일러 미분 방법을 활용해 각속도 피드백 정보를 계산할 수 있고, 상태 변수()는 하기 수학식 7와 같은 상태 변수로 나타낼 수 있다.The state
[수학식 7][Equation 7]
(여기서, 는 샘플링 시간을 의미하고, 와 는 각각 각변위와 각속도를 나타낸다.)(here, Means the sampling time, Wow Represents angular displacement and angular velocity, respectively.)
디지털 제어 수행 시 엔코더 통신, 제어 연산 등에 시간이 소요되어 불가피하게 피드백 신호에 시간 지연이 발생할 수 있다. 위치 예측부(113)는 상기 수학식 6 및 7을 활용하여 부하부(120)에서의 한 샘플링 시간에 해당하는 지연을 보상할 수 있다. 즉, 위치 예측부(113)는 상태 변수 계산부에서 제공된 상태 변수()와 이전 샘플링 단계의 제어 입력()에서 외란 추정값()을 제외한 값()에 기초하여 시간 지연이 있는 시스템의 위치를 계산할 수 있으며, 시간 지연이 보상된 상태 변수()를 생성할 수 있다. 시간 지연이 보상된 상태 변수()는 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. When performing digital control, it takes time for encoder communication and control operation, so a time delay may inevitably occur in the feedback signal. The
[수학식 8] [Equation 8]
(여기서, 는 각변위 추정값, 는 각속도 추정값을 나타낸다.)(here, Is the estimated value of the angular displacement, Represents the angular velocity estimate.)
여기서, 수학식 8에서 시간 지연이 보상된 상태 변수()는 , 와 만을 이용하여 표현된 것으로, 이는 단순한 대수 계산만을 수행하여 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수를 계산한 것이다. 즉, 극점이 없는 유한 임펄스 응답 필터 형태로, 입력-출력 안정성(Bounded-Input Bounded-Output stable)이 항상 보장될 수 있다.Here, in
즉, 본 실시예에 따른 제어기(110)는 상술한 위치 예측부(113)를 포함하여 종래와 같이 단순한 위치 피드백을 활용한 상태 변수()를 사용하지 않고 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수()을 사용하여 가변 구조 제어를 수행할 수 있다. 즉, 상태 변수()를 활용해 계산했던 종래의 수학식 2 및 수학식 4에서 상태 변수 항만 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수()로 변경되어 별도의 수식 변화 없이 전체적인 제어가 수행될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 제어기(110)는 상기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력 받은 레퍼런스()를 추종하도록 제어 입력()을 생성하도록 구성될 수 있다.That is, the
또한, 절환 함수 계산부(111A)는 입력되는 레퍼런스()와 시간 지연이 보상된 상태 변수()으로 구성된 절환 함수 출력()을 계산할 수 있다. 절환 함수 출력()은 하기 수학식 9와 같이 정의된다.In addition, the switching
[수학식 9][Equation 9]
(여기서, 는 오차 함수로, 로 정의되고, 는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here, Is the error function, Is defined as, Is the gain matrix related to the switching function.)
또한, 제어 입력 계산부(111C)는 현재 상태의 제어 입력()를 하기 수학식 10과 같이 계산하여, 부하부(120)에 출력한다.In addition, the control
[수학식 10][Equation 10]
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(100)는 종래의 제어기에서 보장되었던 안정도에 영향을 미치지 않고 상태 변수만 변경된 식을 활용해 시간 지연이 보상된 결과를 제공할 수 있다. 이에 따라, 시스템의 안정도가 향상되고 제어기의 게인을 더 높여 더 높은 제어 성능을 가질 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 실시예에 대해 설명하도록 한다.The
[실시예][Example]
제어 대상은 400W AC 서보 모터로, 산업용 벨트 드라이브 시스템에 장착된다. 샘플링 주기()는 0.125 ms이다. 제어기의 각 파라미터는 하기 표 1과 같이 설정되었다.The control target is a 400W AC servo motor, which is mounted on an industrial belt drive system. Sampling cycle ( ) Is 0.125 ms. Each parameter of the controller was set as shown in Table 1 below.
[표 1][Table 1]
제어 대상의 레퍼런스는 제어 대상의 각변위(angular position, ) 및 각속도(angular velocity, )이다. 도 3는 예시적인 레퍼런스를 도시한 그래프이다. 도 3a는 각각 제어 대상의 각변위에 대한 레퍼런스, 도 3b는 제어 대상의 각속도에 대한 레퍼런스를 도시한 그래프이다.The reference to the control object is the angular position of the control object. ) And angular velocity, )to be. 3 is a graph showing an exemplary reference. 3A is a graph showing a reference for an angular displacement of a control target, and FIG. 3B is a graph showing a reference for an angular velocity of a control target.
도 4는 종래의 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다. 도 4a는 각변위 오차, 도 4b는 각속도, 도 4c는 레퍼런스에 대한 전류 명령 값의 변화를 도시한 것이다.4 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a conventional controller. 4A shows an angular displacement error, FIG. 4B shows an angular velocity, and FIG. 4C shows a change in a current command value for a reference.
도 5는 본 실시예에 따른 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다. 도 5a는 각변위 오차, 도 5b는 각속도, 도 5c는 레퍼런스에 대한 전류 명령 값의 변화를 도시한 것이다.5 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to the controller according to the present embodiment. 5A shows an angular displacement error, FIG. 5B shows an angular velocity, and FIG. 5C shows a change in a current command value for a reference.
도 4 및 도 5를 비교하면, 종래의 제어기를 사용하여 벨트 드라이브 시스템을 구동할 경우 시스템의 안정도 마진이 부족하여 시스템에 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 제어기의 경우 시스템의 안정도 마진이 향상되어 공진 없이 구동하는 것을 확인할 수 있다. Comparing FIGS. 4 and 5, it can be seen that when the belt drive system is driven by using a conventional controller, the system has insufficient stability margin and thus resonance occurs in the system. In contrast, in the case of the controller according to the present embodiment, it can be seen that the stability margin of the system is improved and thus the controller is driven without resonance.
즉, 본 실시예에 따른 제어기(100)는 시간 지연이 있는 상황에서 시간 지연으로 인한 영향을 보상하여 안정적인 서보 제어를 제공할 수 있다. 또한, 가변 구조 제어 방법 및 외란 추정부의 장점인 강인성과 뛰어난 추종 성능 구조를 유지하면서 강인성까지 제공할 수 있다.That is, the
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법에 대해 설명한다. 제어기는 상술한 도 1 내지 도 5의 제어기(110)일 수 있으며, 본 실시예의 설명을 위해 도 1 내지 도 5가 참조될 수 있다.Hereinafter, a method of controlling a controller according to another embodiment of the present invention will be described. The controller may be the
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법의 순서도이다. 도 7은 레퍼런스를 추종하는 제어를 수행하는 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다.6 is a flowchart of a control method of a controller according to another embodiment of the present invention. 7 is a flow chart showing detailed steps of performing control following a reference.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 단계(S100); 상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 단계(S200); 및 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 단계(S300)를 포함한다. 6 and 7, a control method of a controller according to another embodiment of the present invention includes calculating a state variable based on position feedback of a load (S100); Generating a state variable compensated for the time delay based on the state variable and a control input of the previous sampling step (S200); And performing a variable structure control following the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay (S300).
먼저, 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산한다(S100).First, a state variable is calculated based on the position feedback of the load unit (S100).
상태 변수 계산부(112)는 부하부(120)의 위치 피드백 정보()와 오일러 미분 방법을 활용해 각속도 피드백 정보를 계산할 수 있고, 상태 변수()는 하기 수학식 7와 같은 상태 변수로 나타낼 수 있다.The state
[수학식 7][Equation 7]
(여기서, 는 샘플링 시간을 의미하고, 와 는 각각 각변위와 각속도를 나타낸다.)(here, Means the sampling time, Wow Represents angular displacement and angular velocity, respectively.)
상태 변수는 상기 위치 피드백과 상기 위치 피드백의 미분 값으로 구성될 수 있다. The state variable may be composed of a differential value of the position feedback and the position feedback.
상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성한다(S200).A state variable compensated for the time delay is generated based on the state variable and the control input of the previous sampling step (S200).
위치 예측부(113)는 상태 변수 계산부에서 제공된 상태 변수()와 이전 샘플링 단계의 제어 입력()에서 외란 추정값()을 제외한 값()에 기초하여 시간 지연이 있는 시스템의 위치를 계산할 수 있으며, 시간 지연이 보상된 상태 변수()를 생성할 수 있다. 시간 지연이 보상된 상태 변수()는 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.The
[수학식 8][Equation 8]
(여기서, 는 각변위 추정값, 는 각속도 추정값을 나타낸다.)(here, Is the estimated value of the angular displacement, Represents the angular velocity estimate.)
여기서, 수학식 8에서 시간 지연이 보상된 상태 변수()는 , 와 만을 이용하여 표현된 것으로, 이는 단순한 대수 계산만을 수행하여 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수를 계산한 것이다. 즉, 극점이 없는 유한 임펄스 응답 필터 형태로, 입력-출력 안정성(Bounded-Input Bounded-Output stable)이 항상 보장될 수 있다.Here, in
외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행한다(S300).A variable structure control for following the reference is performed by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay (S300).
본 실시예에 따른 제어기(110)는 하기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력 받은 레퍼런스()를 추종하도록 제어 입력()을 생성하도록 구성될 수 있다.In the system environment of the discrete time state-space equation according to Equation 1 below, the
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, 는 상태 변수로, 는 위치 피드백, 는 속도 피드백 값이며, 는 제어기로부터 제공되는 제어 입력, 는 일반화된 외란, 는 시스템 매트릭스로 로 정의되며, 는 입력 매트릭스로 로 정의되고 는 시스템 관성이고, 는 모터의 토크 상수이며, 는 제어기의 제어 주기에 해당한다.)(here, Is the state variable, Position feedback, Is the speed feedback value, Is the control input provided from the controller, Is a generalized disturbance, Is the system matrix Is defined as, Is the input matrix Is defined as Is the system inertia, Is the torque constant of the motor, Corresponds to the control cycle of the controller.)
여기서, 상기 가변 구조 제어를 수행하는 단계(S300)는, 상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 단계(S310); 상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계(S320); 및 상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 단계(S330)를 포함한다.Here, the step of performing the variable structure control (S300) may include calculating a difference between the reference and the output of the state variable compensated for the time delay, and calculating a switching function output based on the difference (S310); Calculating an estimated disturbance value based on the switching function output (S320); And calculating a control input of the current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and a state variable compensated for the time delay (S330).
상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 단계(S310)는 절환 함수 계산부(111A)에서 수행된다. 또한, 절환 함수 계산부(111A)는 입력되는 레퍼런스()와 시간 지연이 보상된 상태 변수()으로 구성된 절환 함수 출력()을 계산할 수 있다. 절환 함수 출력()은 하기 수학식 9과 같이 정의된다.Calculating a difference between the reference and the output of the state variable compensated for the time delay, and calculating the switching function output based on the difference (S310) is performed by the switching
[수학식 9][Equation 9]
(여기서, 는 오차 함수로, 로 정의되고, 는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here, Is the error function, Is defined as, Is the gain matrix related to the switching function.)
상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계(S320)는 외란 추정부(111B)에서 수행된다. 외란 추정부(111B)는 외란 추정 이득()과 절환 함수 출력()에 기초하여 외란 추정값()을 계산할 수 있다. 외란 추정 값()은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.The step (S320) of calculating a disturbance estimation value based on the switching function output is performed by the
[수학식 3][Equation 3]
(여기서, 는 오차 함수()가 슬라이딩 매니폴드로 도달하는 속도를 결정하는 파라미터, 는 포화 함수의 이득이며, 는 포화 함수의 경계층의 두께(boundary layer thickness)를 결정하는 파라미터, 는 외란 추정 이득이다.)(here, Is the error function ( A parameter that determines the speed at which) reaches into the sliding manifold, Is the gain of the saturation function, Is a parameter that determines the boundary layer thickness of the saturation function, Is the estimated gain of disturbance.)
상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 단계(S330)는 제어 입력 계산부(111C)에서 수행된다. 제어 입력 계산부(111C)는 현재 상태의 제어 입력()를 하기 수학식 10과 같이 계산하여, 부하부(120)에 출력할 수 있다.The step (S330) of calculating the control input of the current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and the time delay compensated state variable (S330) is performed by the control
[수학식 10][Equation 10]
본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 종래의 제어기에서 보장되었던 안정도에 영향을 미치지 않고 상태 변수만 변경된 식을 활용해 시간 지연이 보상된 결과를 제공할 수 있다. 이에 따라, 시스템의 안정도가 향상되고 제어기의 게인을 더 높여 더 높은 제어 성능을 가질 수 있다.The control method of a controller according to another embodiment of the present invention may provide a result of compensating for a time delay by using an equation in which only a state variable is changed without affecting the stability guaranteed in a conventional controller. Accordingly, the stability of the system is improved, and the gain of the controller is further increased to have a higher control performance.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 제어기의 제어 방법에 의한 동작은, 적어도 부분적으로 컴퓨터 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 실시예들에 따른 제어기의 제어 방법에 의한 동작을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다.The operation by the control method of the controller according to the above-described embodiments may be implemented at least partially as a computer program and recorded on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium in which a program for implementing an operation of a controller control method according to the embodiments is recorded and includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer is stored. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tapes, floppy disks, and optical data storage devices. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed over a computer system connected through a network, and computer-readable codes may be stored and executed in a distributed manner. In addition, functional programs, codes, and code segments for implementing this embodiment may be easily understood by those of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to examples, the present invention should not be construed as being limited by these examples or drawings, and those skilled in the art will be able to understand the spirit and scope of the present invention described in the following claims. It will be appreciated that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from.
10: 제어 시스템
110: 제어기
111: 절환 함수 계산부
112: 상태 변수 계산부
113: 위치 예측부
120: 부하부
121: 전류 제어기
122: 제어 대상
123: 엔코더10: control system
110: controller
111: switching function calculation unit
112: state variable calculation unit
113: position prediction unit
120: load
121: current controller
122: control target
123: encoder
Claims (15)
상기 상태 변수 계산부의 출력과 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 위치 예측부; 및
외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 가변 구조 제어부를 포함하고,
상기 가변 구조 제어부는,
상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 절환 함수 계산부;
상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 외란 추정부; 및
상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 제어 입력 계산부를 포함하는 제어기.A state variable calculation unit that calculates a state variable based on the position feedback of the load unit;
A position prediction unit for generating a state variable for which a time delay is compensated based on an output of the state variable calculation unit and a control input of a previous sampling step; And
A variable structure control unit for performing variable structure control for following the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay,
The variable structure control unit,
A switching function calculation unit calculating a difference between the reference and an output of the state variable compensated for the time delay, and calculating a switching function output based on the difference;
A disturbance estimating unit that calculates a disturbance estimation value based on the switching function output; And
And a control input calculator configured to calculate a control input of a current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and a state variable compensated for the time delay.
상기 절환 함수 출력은 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기.The method of claim 1,
The switching function output is defined based on a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.
상기 외란 추정값은 상기 절환 함수 출력 및 외란 추정 이득을 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기.The method of claim 1,
The disturbance estimation value is defined based on the switching function output and the disturbance estimation gain.
상기 제어 입력은 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값, 외부로부터 입력되는 레퍼런스 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기.The method of claim 1,
The control input is defined based on the switching function output, the disturbance estimation value, a reference input from the outside, and a state variable compensated for the time delay.
상기 상태 변수는 상기 위치 피드백과 상기 위치 피드백의 미분 값으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어기.The method of claim 1,
Wherein the state variable is composed of a differential value of the position feedback and the position feedback.
상기 시간 지연이 보상된 상태 변수는 상기 상태 변수와 상기 제어 입력 계산부의 직전 샘플링 단계의 출력을 기초로 시스템 모델을 반영하여 계산하는 것을 특징으로 하는 제어기.The method of claim 1,
The state variable compensated for the time delay is calculated by reflecting a system model based on the state variable and an output of the immediately preceding sampling step of the control input calculator.
상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 단계; 및
외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 단계를 포함하고,
상기 가변 구조 제어를 수행하는 단계는,
상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 단계;
상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계; 및
상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 단계를 포함하는 제어기의 제어 방법.Calculating a state variable based on the position feedback of the load unit;
Generating a state variable compensated for the time delay based on the state variable and a control input of the previous sampling step; And
Comprising the step of performing variable structure control to follow the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay,
The step of performing the variable structure control,
Calculating a difference between the reference and the output of the state variable compensated for the time delay, and calculating a switching function output based on the difference;
Calculating a disturbance estimate based on the switching function output; And
And calculating a control input of a current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and a state variable compensated for the time delay.
상기 절환 함수 출력은 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법. The method of claim 8,
The control method of a controller, characterized in that the switching function output is defined based on a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.
상기 외란 추정값은 상기 절환 함수 출력 및 외란 추정 이득을 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.The method of claim 8,
The disturbance estimation value is defined based on the switching function output and the disturbance estimation gain.
상기 제어 입력은 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값, 외부로부터 입력되는 레퍼런스 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.The method of claim 8,
The control input is defined based on the switching function output, the disturbance estimation value, a reference input from the outside, and a state variable compensated for the time delay.
상기 상태 변수는 상기 위치 피드백과 상기 위치 피드백의 미분 값으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.The method of claim 8,
The state variable is a control method of a controller, characterized in that consisting of a differential value of the position feedback and the position feedback.
상기 시간 지연이 보상된 상태 변수는 상기 상태 변수와 상기 제어 입력 계산부의 직전 샘플링 단계의 출력을 기초로 시스템 모델을 반영하여 계산하는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.The method of claim 8,
The time delay-compensated state variable is calculated by reflecting a system model based on the state variable and an output of the immediately preceding sampling step of the control input calculator.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
KR1020190147789A KR102240723B1 (en) | 2019-11-18 | 2019-11-18 | Controller comprising position predict unit and a control method thereof |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024048819A1 (en) * | 2022-08-31 | 2024-03-07 | 서울대학교산학협력단 | Controller and control method based on variable structure, and recording medium for performing same control method |
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2019
- 2019-11-18 KR KR1020190147789A patent/KR102240723B1/en active
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WO2024048819A1 (en) * | 2022-08-31 | 2024-03-07 | 서울대학교산학협력단 | Controller and control method based on variable structure, and recording medium for performing same control method |
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